基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法

2023-05-11 11:51:06 2

專利名稱：基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法
技術領域：
本發明屬於無線通信技術領域，涉及認知無線電技術中的頻譜資源表徵方法，可用於認知無線電系統頻譜資源的分析和具體的管理實施。
背景技術：
認知無線電技術是對頻譜進行高效利用的一種新興通信技術。圖1描述了認知無 線電系統的工作過程，它通過對頻譜環境進行感知探測以獲得頻譜資源的使用狀態，經過 學習機制進行分析之後，對頻譜中尚存的可利用部分進行管理和分配，以滿足更多業務的 頻譜需求。這種技術將一些被分配而未使用的頻譜、以及一些雖然使用但未被充分利用的 頻譜找尋出來，並再次進行分配和使用，從而達到了較高的頻譜利用效率，從一定程度上緩 解了當前頻譜資源緊張和業務發展的矛盾。其中，被確定可以再次利用的頻譜部分被稱為 頻譜空洞。認知無線電技術本質上是對頻譜這種稀缺資源的高效利用方法。頻譜資源作為認 知系統處理的對象，在頻譜資源感知、頻譜資源信息交流、頻譜資源管理與分配等各個環節 中都有所體現。因此，建立一個良好的針對頻譜資源的表徵方法，對於研究認知系統中的頻 譜資源的本質和規律以及進行具體的管理而言，都是至關重要的。以往對頻譜資源的研究中，大多是從獲取頻譜資源信息的方法、進行優化分配的 方法等角度進行考慮，並未對構建頻譜資源模型和表徵方式進行深入探索。如在Simon Haykin 的文章"Cognitive Radio :Brain_Empowered Wireless Communications，，中，僅著 重說明該如何進行幹擾溫度估計，以此探測頻譜空洞，並進行合適的認知無線電業務通信 頻段的選取。而僅有的少量涉及認知無線電資源模型的研究中，針對頻譜資源構建的模型 也不夠全面不夠具體，無法支持對頻譜資源的深入研究和實時管理。如在Vuk Marojevic 的文章"Resource Modeling for a Joint Resource Management in Cognitive Radio，， 中，給出頻譜信道的模型為 Rr(i) = start frequency [MHz] >, , 〈owner〉，Occupation [ % ]>)，僅從統計意義上描述了頻譜信道的佔用概率狀態和利用可 能，就無法支持認知無線電系統任意地點、任意時間和任意頻譜伺機插空的靈活利用，從而 影響了頻譜資源的充分利用。

發明內容
本發明的目的是針對現有研究的不足，對認知無線電領域頻譜資源模型進行研 究，提出了 一種認知無線電頻譜資源表徵方法，以支持認知無線電系統任意地點、任意時間 和任意頻譜伺機插空的靈活利用，提高頻譜資源利用率。實現本發明的目的的技術思路，是以描述頻譜資源的相關參量作為坐標軸建立坐 標系，基於數學空間模型形成頻譜資源空間，依照系統考察區間形成頻譜資源的取值空間， 在該空間內將頻譜狀態信息表示為頻譜資源使用狀態曲面，將滿足選取指標的可用狀態曲 面所對應的取值空間部分構成可用頻譜資源空間，作為認知系統可以利用與分配的頻譜資源向量的集合，用該向量集合表徵頻譜資源。步驟包括如下1.設定描述認知無線電頻譜資源的獨立參量包括時間time、空間位置 location、頻率 frequency 禾口功率譜密度 power ；2.以上述4個獨立參量作為坐標軸建立坐標系； 3.利用數學空間概念，由上述坐標系建立認知無線電頻譜資源空間Rf，並由坐標 系的基表示該空間中的任意向量r，即Rf = Space(time, location, frequency,power)r = (t, 1, f, ρ)其中，t、l、f和ρ為向量r在頻譜資源空間中的坐標；4.設定頻譜資源空間各個坐標的取值範圍(SpSpSf和Sp)，形成頻譜資源空間的 取值空間，即t e St 1 e S1 f e Sf ρ e Sp ；5.通過頻譜感知獲得頻譜資源的使用狀態信息，將其置於頻譜空間的坐標系中， 形成頻譜資源使用狀態曲面Rs Rs = Function (t，1, f, ρ)；6.根據認知系統通信業務需求設定衡量頻譜空洞的指標，形成選取頻譜空洞的可 用約束條件L ；7.按照可用約束條件L在頻譜資源狀態曲面上，將符合指標要求的狀態選出，形 成可用頻譜資源狀態Rb:Rb = Judge(Rs|L)其中，Judge (Rs I L)表示根據L在Rs上進行判決選取；8.利用可用頻譜資源狀態，在頻譜資源取值空間中按照下式形成與之對應的取值 子空間，作為可以分配給認知用戶的可用頻譜資源空間Ru Ru 一 Set I could be assigned to CE user ^ Γ ^ Rf ；9.在可用頻譜資源空間中，按照下式找出頻譜資源矢量Ra :Ra = Select(Ru)其中，Select(Ru)表示從Ru中選取出合適的頻譜資源矢量。本發明與現有技術相比具有如下優點1.本發明由於以時間、空間位置、頻率和功率譜密度作為必要的參量，對認知無線 電系統中的頻譜資源進行分析和表徵，從而可以支持認知無線電系統任意地點、任意時間 和任意頻譜伺機插空的靈活利用，提高頻譜資源利用率；2.本發明由於根據時間、空間位置、頻率和功率譜密度等參量構建頻譜資源空間， 從而使系統中所有具有實際意義的向量集合能夠對應於認知無線電通信系統所管理的頻 譜資源狀態；3.本發明構建的頻譜資源狀態曲面能夠完全的表示所有獲取的狀態信息，構成認 知環結構中感知部分的結果，也是對頻譜資源管理對象實際狀態的描述，可以區分已被使 用的頻譜資源和可分配頻譜資源；4.本發明通過構建頻譜資源取值空間、頻譜資源使用狀態曲面、可用頻譜資源空 間等，將認知無線電系統中的頻譜資源管理過程歸結為數學空間中對資源向量的處理過程，可以為認知無線電系統研究和頻譜資源管理提供技術支持。


圖1是現有認知無線電系統工作過程圖；圖2是本發明對認知無線電頻譜資源的表徵流程圖；圖3是用本發明方法在固定時間、固定頻率下，形成的位置與功率譜密度曲面圖；圖4是用本發明方法在固定位置、固定頻率下，形成的時間與功率譜密度曲線圖；圖5是本發明對頻譜資源狀態進行判斷與選擇 的結果圖。
具體實施例方式參照圖2，本發明的具體實施步驟如下步驟1 構建頻譜資源空間。定義認知無線電系統中的獨立參量時間time、空間位置location、頻率 frequency和功率譜密度power，依據數學空間的概念，以所定義的4個獨立參量作為坐標 軸建立坐標系，所構成的空間即為頻譜資源空間Rf。步驟2 建立頻譜資源取值空間。根據認知無線電系統的具體要求系統工作的時段、系統工作的空間範圍、系統感 興趣的頻段以及系統感興趣的功率譜密度範圍，設定頻譜資源取值空間，即各個維度坐標 的取值範圍。例如，某個認知無線電系統提出具體要求時間為X年X月X日O時至24時， 空間位置為某地區IOOOmX IOOOm平面位置之內，頻率範圍935MHz 960MHz，功率譜密度 為-IlOdbm至Odbm，這即構成頻譜資源取值空間。步驟3 形成頻譜資源狀態曲面。通過頻譜監測、信息交流和計算等方式獲取頻譜使用的狀態信息，例如時刻t、位 置(χ，y)、頻率f處的幹擾功率譜密度為p，所有的狀態信息在頻譜資源空間中即構成了頻 譜資源狀態曲面，例如，圖3為0時刻、頻點935MHz處，形成的位置與功率譜密度曲面示例， 圖4為在位置(0，0)、頻點935MHz處，形成的時間與功率譜密度曲線示例。步驟4 構建可用約束條件。根據認知無線電系統的業務請求時段要求、位置要求、頻段要求和功率譜密度要 求，設定頻譜資源選取的可用約束條件L，包括時間約束條件、地點約束條件、帶寬約束條件 和幹擾功率限制約束條件，例如，認知系統在坐標位置(Xo，yo)、需要維持時長τ、帶寬為W、 幹擾不超過I的頻譜資源作為業務通信的要求，這即構成了可用約束條件。步驟5 形成可用頻譜資源空間。依照可用約束條件，在構建的包含頻譜資源使用狀態曲面的資源空間中進行比較 和選取，找出尚存在利用可能的可用頻譜資源狀態Rb，並以此為基礎，形成可以分配並利用 的頻譜空間集合，即可用頻譜資源空間Ru，圖5給出了該步驟的簡化示意，為了直觀顯示，僅 取時間與功率譜密度兩個維度進行說明。圖5中，根據幹擾要求設定的功率譜約束條件和 根據頻譜空洞維持時長設定的時間約束條件共同形成了對頻譜狀態的判斷與選擇，選取出 的若干個區間即為可以利用的狀態，在可用頻譜資源狀態所形成的曲線之上的部分即為可 用頻譜資源空間。
步驟6 選擇頻譜資源矢量。在可用頻譜資源空間中，依照認知無線電系統的業務需求，遍歷可用頻譜資源空
間的各個狀態，選擇出適合認知無線電系統業務需求的頻譜資源狀態，構成頻譜資源矢量
Ra °本發明的上述步驟與現有認知無線電系統工作過程一一對應。其中，步驟3中的獲得頻譜狀態信息對應於認知無線電系統工作過程的頻譜感知部分；步驟1-步驟5對應於 認知無線電工作過程的頻譜管理部分；步驟6對應於認知無線電工作過程的頻譜資源分配 部分。可見，本發明提出的基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法完全可以充分應 用於認知無線電系統頻譜資源的分析和具體的管理實施。
權利要求
一種基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法，包括如下步驟(1)設定描述認知無線電頻譜資源的獨立參量包括時間time、空間位置location、頻率frequency和功率譜密度power；(2)以上述4個獨立參量作為坐標軸建立坐標系；(3)利用數學空間概念，由上述坐標系建立認知無線電頻譜資源空間Rf，並由坐標系的基表示該空間中的任意向量r，即Rf＝Space(time，location，frequency，power)r＝(t，l，f，p)其中，t、l、f和p為向量r在頻譜資源空間中的坐標；(4)設定頻譜資源空間各個坐標的取值範圍(St、Sl、Sf和Sp)，形成頻譜資源空間的取值空間，即t∈Stl∈Slf∈Sfp∈Sp；(5)通過頻譜感知獲得頻譜資源的使用狀態信息，將其置於頻譜空間的坐標系中，形成頻譜資源使用狀態曲面RsRs＝Function(t，l，f，p)；(6)根據認知系統通信業務需求設定衡量頻譜空洞的指標，形成選取頻譜空洞的可用約束條件L；(7)按照可用約束條件L在頻譜資源狀態曲面上，將符合指標要求的狀態選出，形成可用頻譜資源狀態RbRb＝Judge(Rs|L)其中，Judge(Rs|L)表示根據L在Rs上進行判決選取；(8)利用可用頻譜資源狀態，在頻譜資源取值空間中按照下式形成與之對應的取值子空間，作為可以分配給認知用戶的可用頻譜資源空間RuRu＝Set|could be assigned to CR user{r}，r∈Rf；(9)在可用頻譜資源空間中，按照下式找出頻譜資源矢量RaRa＝Select(Ru)其中，Select(Ru)表示從Ru中選取出合適的頻譜資源矢量。
2.根據權利要求1所述的基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法，其中步驟 (6)所述的根據認知系統通信業務需求設定衡量頻譜空洞的指標，包括時間、地點、帶寬和 幹擾功率限制。
3.根據權利要求1所述的基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法，其中步驟 (6)所述的可用約束條件L，包括時間約束條件、地點約束條件、帶寬約束條件和幹擾功率 限制約束條件。
全文摘要
本發明公開一種基於數學空間的認知無線電頻譜資源表徵方法，主要解決現有技術無法支持頻譜資源靈活利用的問題，其實現步驟是(1)以描述頻譜資源的獨立參量為坐標軸建立坐標系；(2)基於頻譜感知獲得頻譜的使用狀態信息，形成頻譜資源使用狀態曲面；(3)根據認知系統業務需求，形成選取頻譜空洞的可用約束條件；(4)按照可用約束條件在頻譜資源狀態曲面上選取，形成可用頻譜資源狀態；(5)基於可用頻譜資源狀態，在頻譜資源取值空間中形成與之對應的取值子空間，作為可用頻譜資源空間；(6)在可用頻譜資源空間中，為認知系統業務需求找到合適的頻譜資源矢量。本發明可以支持頻譜資源的靈活利用，為認知無線電系統研究和頻譜資源管理提供技術支持。
文檔編號H04W16/14GK101873183SQ20101020417
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者侯蓉暉, 劉偉, 劉勤, 李建東, 李紅豔, 李釗, 盛敏, 趙林靖, 黃鵬宇 申請人:西安電子科技大學